JP6538801B2 - 呼吸ガス混合気中の少なくとも１つのガス成分の濃度特定のための装置 - Google Patents

Description

本発明は、呼吸ガス混合気中の少なくとも１つのガス成分の濃度特定のための装置に関する。呼吸ガス混合気中のガス成分の濃度特定のための装置は特に、患者から吐き出された二酸化炭素の濃度値を特定するために使用される。独国特許発明第１００４７７２８号明細書（DE10047728 B4）に、二酸化炭素、笑気および麻酔ガスを測定するためのセンサが記載されている。同文献では、４つの光学フィルタ要素から成る構成体が示されており、これに対して検出要素が設けられている。フィルタ要素と検出要素とをこのように組み合わせたものは、光線混合システムの周囲に配置されている。かかる光線混合システムをマルチスペクトルセンサに構成したものが、欧州特許第０５３６７２７号明細書（EP 0 536 727 B1）に記載されている。このようなセンサシステムは、臨床現場ではたとえばカプノグラフにおいて使用され、また、いわゆるＣＯ_２メインストリームセンサまたはＣＯ_２サイドストリームセンサ等においても使用される。米国特許第５２６１４１５号明細書（US 5 261 415 B2）に、ＣＯ_２メインストリームカプノグラフィセンサが記載されている。呼吸ガスを送るキュベット内にインサート部品が配置されており、このインサート部品にも赤外光測定システムが配置されている。欧州特許第０５３６７２７号明細書（EP 0 536 727 B1）から、有効な光線混合を達成するために必要な光学部品の構成および配置が、どの程度複雑になってしまうかが明らかである。この光線混合の役割は、局所的に生じたコンタミネーションを参照チャネルおよび測定チャネルの双方において対称的に作用させることである。このことは、コンタミネーション、水蒸気、および検出要素の経時現象を動作中に持続的に補償できるように、測定チャネルと参照チャネルとの比がどの動作点においても保証するために必要なことである。欧州特許第０５３６７２７号明細書に記載されているような解決手段の欠点は、光線混合によって、赤外光を測定キュベット内において複数回偏向および反射しなければならないことにより、信号減衰が生じることである。かかる信号減衰によって、信号雑音比（ＳＮＲ）が悪くなる。このことは、必要な測定値分解能を達成するために、吸収長を長くすることによって測定信号の減少を補償しなければならなくなる原因となる。吸収長が長くなることにより、構造上の構成が大型化する結果となる。光線混合が必要であることと、これに関与する構成要素が多数であることは、さらに、欧州特許第０５３６７２７号明細書の形式のマルチスペクトルセンサに係る複雑性の観点と、これら関与する構成要素の公差要求が厳しくなること（公差連鎖）の観点と、これにより製造コストが高くなる観点と、において、悪影響を及ぼすものとなる。

上掲の従来技術とこれについて記載された欠点とを背景として、本発明の課題は、小さい所要スペースかつ比較的低い製造コストの点で優れている、呼吸ガス混合気中の少なくとも１つのガス成分のガス濃度特定のための装置を実現することである。

前記課題は、請求項１の発明特定事項を具備する、呼吸ガス混合気中の少なくとも１つのガス成分の濃度特定のための装置によって解決される。

前記課題はさらに、請求項２の発明特定事項を具備する、呼吸ガス混合気中の少なくとも１つのガス成分の濃度特定のための装置によっても解決される。

従属請求項から、本発明の有利な実施形態が明らかであり、以下の記載においてこれらの実施形態について、部分的に図面を参照して詳細に説明する。

本発明では、呼吸ガス混合気中の少なくとも１つのガス成分の濃度特定のための装置において、以下の構成要素が設けられている：
・λ１＝２５００ｎｍ〜λ２＝１４０００ｎｍの波長領域の光放射の放射面を用いた放射に適した構成の放射源、
・放射源によって生成された光放射を取得するために適した構成の２つの検出要素と、当該検出要素に配置された２つのバンドパスフィルタ要素とを備えた２つの検出システム、
・絞り要素Ｂ、
・第１の光透過要素Ｆ１と第２の光透過要素Ｆ２とを備えた流路、
・コントロールユニット

放射源から放射された光は、放射面から実質的に直角に、本装置の垂直軸の方向に放出される。

放射源のλ１＝２．５μｍ〜λ２＝１４．０μｍの波長領域によって、笑気濃度、二酸化炭素濃度の赤外光測定、また、たとえば揮発性麻酔ガスまたはメタン等の種々の炭化水素の赤外光測定を行うことができる。

検出要素はたとえば半導体検出器、焦電検出器（パイロディテクタ）、熱電検出器（サーモパイル、サーモカップル）として、熱型検出器（ボロメータ）として、また、半導体検出器と熱型検出器との組合せとしても構成される。検出要素は、赤外線波長領域の赤外線の場合に光を検出するように構成されている。この赤外線波長領域は典型的には、ガスによる吸収、たとえば二酸化炭素による吸収が生じる波長領域である。

バンドパスフィルタ要素はたとえば、基板上に設けられた干渉層の形態の光干渉フィルタとして構成されている。これを透過する光は、測定ガスの吸収領域によって定まる、λ１＝２．５μｍ〜λ２＝１４．０μｍの波長領域の光である。

光透過要素Ｆ１，Ｆ２は、ガラス材料、プラスチック材料から、板材またはフィルムの形態で構成することができる。光透過要素Ｆ１，Ｆ２は相対向して流路の壁に気密に嵌め込まれている。光透過要素Ｆ１，Ｆ２は、λ１＝２．５μｍ〜λ２＝１４．０μｍの波長領域の光を透過するように構成されている。

バンドパスフィルタ要素の配置は、放射源から放射された赤外線が直接的な光路で、または、たとえば光路上の反射要素またはミラーシステムを用いて赤外線を偏向することによって迂回する光路で、２つの検出要素の上流の２つの各バンドパスフィルタ要素を通過するようになされている。

２つのバンドパスフィルタ要素のうち少なくとも１つは、測定ガスによって吸収される波長領域の赤外線に対して光透過性に構成されている。

このバンドパスフィルタ要素が配置された検出要素は、呼吸ガス混合気中の少なくとも１つのガス成分の濃度特定のための装置におけるいわゆる測定チャネルとなる。

２つのバンドパスフィルタ要素のうち少なくとも１つは、測定ガスによって吸収されないかまたはほとんど吸収されない波長領域の赤外線に対して、光透過性に構成されている。

このバンドパスフィルタ要素が配置された検出要素は、呼吸ガス混合気中の少なくとも１つのガス成分の濃度特定のための装置におけるいわゆる参照チャネルとなる。

２つの検出システムにおいて、検出要素に配置された２つのバンドパスフィルタ要素を備えた当該２つの検出要素は、その表面に２つの検出面を形成する。これらの検出面は、放射源によって生成された、検出要素への光放射を受光するためのものである。バンドパスフィルタ要素は、放射源によって生成された光をフィルタリングして検出要素へさらに送るためのものである。

典型的な測定ガス（「ターゲットガス」とも称されることが多い）は、たとえば二酸化炭素または笑気、また、たとえばメタンまたは揮発性麻酔ガス等の多数の気体有機化合物、たとえばハロタン、イソフルレン、デスフルラン、エンフルレン等である。

バンドパスフィルタ要素は、２．５μｍ〜１４μｍの波長領域の透過領域の赤外光の光学フィルタリングを行うように構成されている。

よって、上述のバンドパスフィルタ要素を用いることにより、以下の表１に示されたようなガスに対応する透過領域を得ることができる。

笑気、ハロタン、イソフルレン、セボフルランおよびデスフルランのガスは、麻酔を行うとき、たとえば外科処置を行うときに患者に麻酔をかけるために使用され、アセトンは、患者の可能な代謝生成物として得られるものであるから、たとえば糖尿病患者の呼気中に含まれている。エタノールは、たとえばアルコールを摂取した患者の場合に呼気中に存在し得るものである。

呼吸ガス混合気中の少なくとも１つのガス成分の濃度特定のための装置では、コントロールユニットを用いて測定チャネルおよび参照チャネルの各測定値が取得され、互いに比較される。通常は、測定チャネルの取得された測定値と参照チャネルの取得された測定値とから商が形成され、この商が、濃度特定のための装置における測定ガスの濃度を表す尺度、すなわち、光路上に存在するガス量の濃度の尺度を示唆するものとなる。

検出要素に配置されたバンドパスフィルタ要素を備えた当該検出要素、ならびに当該バンドパスフィルタ要素の相互間の空間的配置、および検出要素と、当該検出要素に配置されたバンドパスフィルタ要素との空間的配置が、本発明では、検出器構成としての２つの検出システムを構成する。

本発明では、２つの検出システムに対向する側に、光量を当該２つの検出システムの方向に直接放出して当該２つの検出システムに入射させる光放射素子、または光量を反射によって間接的に２つの検出システムへ送って当該２つの検出システムに入射させる光反射素子のいずれかが配置されている。

光量を２つの検出システムの方向に直接放射して当該２つの検出システムに入射させる光放射素子が、放射源である。

光量を検出システムの方向に間接的に送って当該検出システムに入射させる光反射ユニットは、放射源の光量、または呼吸ガス混合気中の少なくとも１つのガス成分の濃度特定のための装置においてたとえば２つの検出システムに対向して配置されている、光生成に適した他の照射源の光量を反射する反射システム、反射要素、または光反射ミラーである。反射要素またはミラーは、ガラス材料、プラスチック材料から、板材またはフィルムの形態で構成することができる。

本発明では、コントロールユニットと、放射源と、放射源を基準とする２つの検出システムの空間的配置とが、呼吸ガス混合気中の少なくとも１つのガス成分の濃度特定のための装置を構成する。

本発明の第１の側面では、放射源を基準とする検出システムの空間的配置は、２つの検出要素と、当該２つの検出要素に配置された２つのバンドパスフィルタ要素とを備えた両検出システムを、放射源の同一の側において隣り合って配置するようになされている。

本発明の他の一側面では、放射源を基準とする検出システムの空間的配置は、２つの検出要素と、当該２つの検出要素に配置された２つのバンドパスフィルタ要素とを備えた両検出システムを、放射源のそれぞれ反対側に配置するようになされている。

本発明の第１の側面の本発明の第１の実施形態では、２つの検出要素と、当該２つの検出要素に配置された２つのバンドパスフィルタ要素とを備えた２つの検出システムは、放射源のそれぞれ反対側に第３の距離ｌ_３をおいて、有利には０．１ｍｍ〜１０．０ｍｍの範囲の距離ｌ_３をおいて配置されている。

本発明の他の一側面の本発明の第２の実施形態では、２つの検出要素と、当該２つの検出要素に配置された２つのバンドパスフィルタ要素とを備えた両検出システムは、放射源の同一の側に隣り合って配置されている。

本実施形態では放射源は、検出システムの、２つの検出要素に配置された２つのバンドパスフィルタ要素を備えた当該２つの検出要素の間の実質的に中央に、共に組み込まれて配置されている。

本発明の当該第２の実施形態では、放射源に対向し、かつ２つの検出システムに対向して、第３の距離ｌ_３’をおいて、有利には０．１ｍｍ〜５．０ｍｍの範囲の距離ｌ_３’をおいて、少なくとも１つの光反射要素、有利には面状の光反射要素が配置されており、この光反射要素は、反射面を用いて、放射源から当該反射面に入射した光量を２つの検出システムの方向に反射させるように構成されている。

本発明の第１および第２の実施形態では、測定チャネル検出要素／バンドパスフィルタ要素と参照チャネル検出要素／バンドパスフィルタ要素との２つの検出システムの配置において、測定チャネル検出要素／バンドパスフィルタ要素と参照チャネル検出要素／バンドパスフィルタ要素との間の水平方向の距離ｌ_０は、０．１ｍｍ〜１０ｍｍの有利な範囲内で選択される。

本発明の第１および第２の実施形態では、呼吸ガス混合気中の少なくとも１つのガス成分の濃度測定のための装置が構造的に小型の構成体となるように、２つの検出システムから、対向する光放射素子（放射源）または光反射素子までの距離は、呼吸ガス混合気中の少なくとも１つのガス成分の濃度特定のための装置の他の構成要素の長さ、幅、高さの寸法と、各構成要素（検出要素、バンドパスフィルタ要素、放射源の放射面、光反射素子の反射面）の各面積寸法とに合わせて調整されている。

呼吸ガス混合気中の少なくとも１つのガス成分の濃度測定のための装置の「構造的に小型の構成体」とは、本発明では、構成体の測定容積が０．０５ｍｌ〜０．２ｍｌの範囲内であり、かつ長さ、幅または高さにおける構造上の最大サイズが２ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内に構成されている構成体をいう。

このことの利点は、呼吸ガス混合気中の少なくとも１つのガス成分の濃度測定のための装置の構成要素の構成体を構造的に小型に構成することにより、放射源または光反射要素から２つの検出要素へ向かう光路間の重なり領域が、簡単に、かつ他の光線偏向要素または多重反射発生要素を用いることなく得られることである。

この重なり領域は、検出要素に配置されたバンドパスフィルタ要素を備えた２つの検出要素と放射源ないしは光反射要素とを有する２つの検出システムの配置の幾何学的形態から得られる。当該重なり領域は、検出要素の配置の平面から鉛直方向に、放射源ないしは光反射要素の方向に得られる。当該重なり領域は光線混合と同等に作用するが、光線混合に付随する欠点、すなわち、多重偏向に起因する信号減衰と、これに付随する不都合な信号雑音比（ＳＮＲ）とを甘受しなければならないという欠点を伴わない。よって重なり領域は、上記にて欧州特許第０５３６７２７号明細書を援用して述べた欠点を伴うことなく、たとえば上掲の欧州特許第０５３６７２７号明細書で使用されるような光混合の機能、すなわち、局所的に生じたコンタミネーションを参照チャネルと測定チャネルとの双方において対称的に働かせる機能に等価的に代わるものである。この重なり領域によって、水分（凝縮水、水蒸気）またはコンタミネーション等の影響を実質的に受けない、呼吸ガス混合気中の少なくとも１つのガス成分の測定が可能になる。構成要素の構造的に小型の構成体に上述の重なり領域があることにより、コンタミネーション、水蒸気、および検出要素の経時現象を、呼吸ガス混合気中の少なくとも１つのガス成分の濃度測定のための装置の動作中に持続的に補償できるように、参照チャネルに対する測定チャネルの信号の比率が全ての動作点において保証される。本実施形態の上述の幾何学的形態に起因して、たとえばガス分子、水蒸気、凝縮水または他の不純物、たとえば塵埃等が、両検出要素の光路上に存在することとなり、水蒸気、凝縮水または他の不純物によって測定信号に及ぼされる影響が、たとえば測定値の振幅減衰として、測定チャネルおよび参照チャネルのいずれにおいても現れる。このことから、参照チャネルの信号と測定チャネルの信号の比を形成することによって水分（水蒸気、凝縮水）または他のコンタミネーションの影響を消失させることができる。というのも、かかる影響は参照チャネルおよび測定チャネルの各信号にほぼ同一に作用し、同一の効果を生じさせるからである。

測定チャネル検出要素／バンドパスフィルタ要素および参照チャネル検出要素／バンドパスフィルタ要素の相互間の幾何学的形態の選択と、これらの相互間の距離の選択との双方によって、重なりの領域を画定することができる。

第１の実施形態では、放射源と測定チャネル検出要素／バンドパスフィルタ要素および参照チャネル検出要素／バンドパスフィルタ要素の構成体との相互間の垂直方向の距離の選択と協働して、重なり領域の構成を空間的寸法と、面状の重なりと、測定ガスの有効重なり容積とによって、さらに変化させて定めることができる。

第２の実施形態では、光反射要素と測定チャネル検出要素／バンドパスフィルタ要素および参照チャネル検出要素／バンドパスフィルタ要素の構成体との相互間の垂直方向の距離の選択と協働して、重なり領域の構成を空間的寸法と、面状の重なりと、測定ガスの有効重なり容積とによって、さらに変化させて定めることができる。

上記構成を定めるために適した、呼吸ガス混合気中の少なくとも１つのガス成分の濃度測定のための装置の構造的に小型の構成体の配置は、たとえば各構成要素間の距離の商の形態の比率と、構造的広がりとを用いて選択される。「構造的広がり」とは本発明では、各構成要素の長さｌまたは幅ｂの水平方向の寸法をいう。ここで長さｌは、直交座標系において幅ｂに対して直角の方向のものである。特殊な形態として、長さｌと幅ｂとを同一に選択すると正方形の広がりとなり、また、長さｌおよび幅ｂに代えて直径ｄを用いると円形の広がりとなる。

表２ａおよび表２ｂにおいて、長さの比と距離とに基づき、構造的に小型の構成体の適切な配置の定義が説明されている。

本発明の第１の実施形態では、
・λ１＝２．５μｍ〜λ２＝１４．０μｍの波長領域の光放射の放射に適した構成の放射源と、
・２つの検出システムであって、
・放射源によって生成された光放射を取得するために適した構成の２つの検出要素、および
・放射源によって生成された光放射を取得するための検出面を成す、２つの検出要素に配置されたバンドパスフィルタ要素
を備えた検出システムと、
・光放射の垂直軸に対して実質的に直角に、ガス流の導流を行うように構成された流路と、
・双方ともλ１＝２．５μｍ〜λ２＝１４．０μｍの波長領域の光放射に対して光透過性に構成された、第１の光透過要素Ｆ１および第２の光透過要素Ｆ２と、
・放射源から２つの検出システムの検出面まで光線導光を行うための絞り要素Ｂと、
・放射源の動作および２つの検出要素の信号取得を制御するためのコントロールユニットと、
を備えたガス成分の濃度特定のための装置の構造的に小型の構成体が達成される。

ここで、２つのバンドパスフィルタ要素のうち１つは、測定ガスによって吸収される赤外線に対して光透過性に構成されており、２つのバンドパスフィルタ要素のうち１つは、測定ガスによって吸収されない赤外線に対して光透過性に構成されている。

放射源の放射面は、２つの検出システムの２つの検出面から垂直方向の距離ｌ_３（３３）の場所に配置されている。

第２の光透過要素Ｆ２について、距離ｌ_Ｆ２が垂直方向の距離ｌ_３との関係において下記の関係式ｌ_Ｆ２／ｌ_３≧０．５を満たすものとなり、かつ第２の光透過要素Ｆ２について距離ｌ_Ｆ２が、２つの検出システムの検出面までの垂直方向の距離ｌ_３との関係と、距離ｌ_ＤＢとの関係とにおいて、下記の関係式０≦ｌ_ＤＢ／ｌ_３≦ｌ_Ｆ２／ｌ_３を満たす比率となるように、第２の光透過要素Ｆ２はガス成分の濃度特定のための装置に流路の壁の一部として配置されている。

第１の光透過要素Ｆ１について、距離ｌ_Ｆ１が垂直方向の距離ｌ_３との関係において下記の関係式ｌ_Ｆ１／ｌ_３≦０．３を満たすものとなるように、第１の光透過要素Ｆ１はガス成分の濃度特定のための装置に流路の壁の一部として配置されている。

絞り要素Ｂは、当該絞り要素Ｂの水平方向の寸法について放射源の水平方向の寸法ｌ_ｓとの関係において、下記の関係式ｌ_Ｂ／ｌ_Ｓ≧０．２５を満たす比率となるように、ガス成分の濃度特定のための装置において流路の表面または外部に配置されている。

絞り要素Ｂは、当該絞り要素Ｂの水平方向の寸法について、放射源（３０）の水平方向の寸法ｌ_ｓとの関係と、検出システムの水平方向の寸法ｌ_Ｄ１，２との関係とにおいて、下記の関係式ｌ_Ｂ／ｌ_Ｓ≧ｌ_Ｄ１，２／ｌ_ｓを満たす比率となるように、ガス成分の濃度特定のための装置において流路の表面または外部に配置されている。

このような幾何学的関係により、ガス成分の濃度特定のための装置の第１の実施形態では、流路において、両検出システム間の、放射源によって生成された光放射の重なり領域が得られる。長さおよび距離の比としての上述の関係式は、第１の実施形態では、表２ａおよび表２ｂに記載の長さおよび距離の定義から得られる。

本発明の第２の実施形態では、
・λ１＝２．５μｍ〜λ２＝１４．０μｍの波長領域の光放射の放射に適した構成の放射源と、
・光反射に適した構成の、放射源に対向して配置された光反射要素と、
・２つの検出システムであって、
・光反射要素によって反射された放射を取得するために適した構成の２つの検出要素、および
・放射源によって生成された光放射を取得するための検出面を成す、２つの検出要素に配置された２つのバンドパスフィルタ要素
を備えた検出システムと、
・光放射の垂直軸に対して実質的に直角に、ガス流の導流を行うように構成された流路と、
・双方ともλ１＝２．５μｍ〜λ２＝１４．０μｍの波長領域の光放射に対して光透過性に構成された、第１の光透過要素Ｆ１および第２の光透過要素Ｆ２と、
・放射源から２つの検出システムの検出面まで光線導光を行うための絞り要素Ｂと、
・放射源の動作および２つの検出システムの信号取得を制御するためのコントロールユニットと、
を備えたガス成分の濃度特定のための装置の構造的に小型の構成体が達成される。

ここで、２つのバンドパスフィルタ要素のうち１つは、測定ガスによって吸収される赤外線に対して光透過性に構成されており、２つのバンドパスフィルタ要素のうち１つは、測定ガスによって吸収されない赤外線に対して光透過性に構成されている。

光反射要素の反射面は、２つの検出システムの２つの検出面から垂直方向の距離ｌ_３の場所に配置されている。

第２の光透過要素Ｆ２について、距離ｌ_Ｆ２が垂直方向の距離ｌ_３との関係において下記の関係式ｌ_Ｆ２／ｌ_３≧０．５を満たすものとなり、かつ第２の光透過要素Ｆ２について距離ｌ_Ｆ２が、２つの検出システムの検出面までの垂直方向の距離ｌ_３との関係と、距離ｌ_ＤＢとの関係とにおいて下記の関係式０≦ｌ_ＤＢ／ｌ_３≦ｌ_Ｆ２／ｌ_３を満たすものとなるように、第２の光透過要素Ｆ２はガス成分の濃度特定のための装置に流路の壁の一部として配置されている。

第１の光透過要素Ｆ１について、距離ｌ_Ｆ１が垂直方向の距離ｌ_３との関係において下記の関係式ｌ_Ｆ１／ｌ_３≦０．３を満たすものとなるように、第１の光透過要素Ｆ１はガス成分の濃度特定のための装置に流路の壁の一部として配置されている。

絞り要素Ｂは、当該絞り要素Ｂの水平方向の寸法について光反射要素の水平方向の寸法ｌ_Ｒとの関係において、下記の関係式ｌ_Ｂ／ｌ_Ｒ≧０．２５を満たす比となるように、ガス成分の濃度特定のための装置において流路の表面または外部に配置されている。

絞り要素Ｂは、当該絞り要素Ｂの水平方向の寸法について、放射源（３０）の水平方向の寸法ｌ_ｓとの関係と、検出システムの水平方向の寸法ｌ_Ｄ１，２との関係とにおいて、下記の関係式ｌ_Ｂ／ｌ_Ｒ≧ｌ_Ｄ１，２／ｌ_Ｒを満たす比率となるように、ガス成分の濃度特定のための装置において流路の表面または外部に配置されている。

このような幾何学的関係により、ガス成分の濃度特定のための装置の第２の実施形態では、流路において、両検出システム間の、光反射要素によって反射された放射の重なり領域が得られる。長さおよび距離の比としての上述の関係式は、第２の実施形態では、表２ａおよび表２ｂに記載の長さおよび距離の定義から得られる。

以下、第１の実施形態および第２の実施形態の双方の流路に重なり領域を有する構造的に小型の実施形態が得られる幾何学的構造上の構成を達成するための上掲の関係式を、表３において再度、一覧として列挙する。

第１の実施形態の有利な一実施形態では、放射源は面放射源として、膜放射源として、または実質的に平坦に構成された放射面を備えた放射素子として、または実質的に平坦に構成された放射面を備えた発光ダイオード（ＬＥＤ）として構成されている。放射面は、当該放射面全体にわたって均質に放射するように構成されている。面放射源または膜放射源の放射面、および発光ダイオードの実質的に平坦に構成された光出射面の放射面はいずれも、有利には本発明の第１の実施形態の装置のために、２．０ｍｍ^２〜１０ｍｍ^２の範囲内である。ここで２つの検出システム間の距離ｌ_０は、０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内である。

第２の実施形態の有利な一実施形態では、放射源は点放射源として、または実質的に８０°〜１７０°の水平方向放射角で反射要素の方向に点状に放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）として、反射要素の方向に向けられ、かつ光反射要素の方向に均質に放射するように構成されている。点放射源の放射面、および点状に放射する発光ダイオードの放射面はいずれも、有利には本発明の第２の実施形態の装置のために、約０．０５ｍｍ^２〜１．０ｍｍ^２の範囲内である。ここで２つの検出システム間の距離ｌ_０は、約２００μｍ〜８００μｍの範囲内である。放射源に対向して設けられた光反射要素の反射面は、有利には本発明の第２の実施形態の装置のために、２．０ｍｍ^２〜１０ｍｍ^２の範囲内である。

第２の実施形態の有利な一実施形態では、たとえば反射される光の光混合または光散乱によって両検出システムに有利には均質に分布させるように構成された表面テクスチャが、光反射要素に施されている。かかる表面テクスチャはたとえば、溝、窪部、凹部または陥入部を有するパターンであり、このパターンは、プラスチック材料に切削またはエンボス加工による成形を施すことによって形成することができる。これに代わる他の一態様は、光反射要素に表面テクスチャによってテクスチャ加工されたフィルムである。

第１および第２の実施形態では、２つの各検出要素は有利には、当該２つの検出要素間の有利には中央において延在する垂直軸から０．１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内の第１の距離ｌ_１をおいて配置されている。

第１および第２の実施形態では、２つの検出要素に配置された２つの各バンドパスフィルタ要素は有利には、当該２つの検出要素間の有利には中央において延在する垂直軸から０．１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内の第２の距離ｌ_２をおいて配置されている。

さらに有利な一実施形態では、検出要素はサーモパイルまたはサーモカップルとして構成されている。

さらに有利な一実施形態では、検出要素は半導体検出器として、たとえばＩｎＡｓＳｂ検出器（インジウムヒ素アンチモン検出器）として構成されている。

さらに有利な一実施形態では、検出要素は焦電検出器として構成されている。

さらに有利な一実施形態では、検出要素はボロメータとして構成されている。

サーモカップル、サーモパイル、焦電検出器およびボロメータの利点としては、これらは低コストで製造することができ、熱型検出器として３〜１４μｍの幅広い波長領域において使用できることが挙げられる。

半導体検出器の利点としては、その測定感度を所望の波長領域に非常に良好に合わせて調整できることが挙げられる。その上、半導体検出器の信号立ち上がり時間は比較的短い（ｔ_{１０＿９０}）。

第１および第２の両実施形態の呼吸ガス混合気中の少なくとも１つのガス成分の濃度特定のための装置において、有利な一実施形態では、第１および第２の光透過要素は、吸気ガスおよび／または呼気ガスを送るために適した流路を構成する。流路内には吸気ガスおよび／または呼気ガスが主流として流され、放射源と２つの検出要素と、これに配置されたバンドパスフィルタ要素との間の光路を通過する。本実施形態では、ガス濃度の検出はこの主流で行われる。第１の実施形態では、呼吸ガス混合気中の少なくとも１つのガス成分の濃度特定のための装置は、検出システムと、第１および第２の光透過要素と、絞り要素と、放射源とによって構成される。第２の実施形態では、呼吸ガス混合気中の少なくとも１つのガス成分の濃度特定のための装置は、検出システムと、第１および第２の光透過要素と、絞り要素と、光反射要素と、放射源とによって構成される。

かかる実施形態の一態様は、たとえば、患者の口領域に直接配置されるものとしての、患者の呼気ガス中の二酸化炭素測定のための装置であり、これはしばしば、いわゆる「メインストリームＣＯ_２センサ」とも称されることが多い。

上述の実施形態の他の一態様は、たとえば、患者において二酸化炭素および他のガス濃度、特に麻酔ガスを測定するための分析装置であり、この分析装置では、当該分析装置に配置されたポンプによって口領域において直接、口領域から小径のホースを介して分析装置へガス量が連続的に吸い出され、または移送され、この分析装置において当該ガス量のガス組成およびガス濃度が分析される。本態様では、患者吸気ガス濃度および患者呼気ガス濃度の双方が関心対象となる。かかる測定手法はしばしば、いわゆる「吸出式ガス測定」、またはいわゆる「サイドストリーム麻酔ガスモニタリング」とも称されることが多い。

麻酔環境下でのガス測定の適用に際しては、呼吸ガス混合気中の少なくとも１つのガス成分の濃度特定のための装置のサイズが果たす役割は（特に「サイドストリーム」使用時において）決して小さくない。放射源と検出要素ないしはバンドパスフィルタ要素との間の距離ｌ_３を０．１ｍｍ〜１０ｍｍの有利な範囲内とすること、および放射源と光反射要素（ミラー、反射器）との間の距離ｌ_３’を０．１ｍｍ〜５．０ｍｍの範囲内とすると共に、２．０ｍｍ^２〜１０．０ｍｍ^２の有利な範囲内の放射面を有する放射源、０．５ｍｍ^２〜２０ｍｍ^２の有利な範囲内の検出面を有する検出要素（ボロメータ、マイクロボロメータ、マイクロボロメータアレイ、焦電検出器、サーモカップル、サーモパイル、半導体検出器）およびバンドパスフィルタ要素の各サイズと、１０ｍｍ未満の有利な範囲内の距離をおく２つの検出要素の相互間の配置とによって、０．４ｍｌ未満の範囲内、たとえば０．０５ｍｌ〜０．２ｍｌの小さい測定容積を有する、呼吸ガス混合気中の少なくとも１つのガス成分の濃度特定のための装置のサイズが可能になる。

装置に配置されたポンプを用いて５０ｍｌ／ｍｉｎ〜２００ｍｌ／ｍｉｎの吸出体積流量で行われる「吸出式ガス測定」の場合、ここで呼吸ガス混合気中の少なくとも１つのガス成分の濃度特定のための装置において測定容量の交換にかかる時間は０．１ｓ〜０．５ｓとなる。

毎分約６回〜２４回の範囲内である人間の呼吸数（毎秒０．１〜０．４回に相当）と比較して、本発明により開示された、呼吸ガス混合気中の少なくとも１つのガス成分の濃度特定のための装置は、サンプリングレートの適切な選択も共に行うことにより、呼吸ガス中の濃度変化を１呼吸ごとの分解能の測定データとして取得できる時間分解能を可能にするものである。

一般的に、距離によって小さい測定容量を可能にするだけでなく、検出要素と放射源との間の光路長も短く抑えなければならないので、サイズはさらに重要な役割を果たす。これによって、信号雑音比（ＳＮＲ）が良好である十分な信号レベルを示す測定データを検出要素において取得できるようになり、これによって、ロバストな信号品質で高い測定感度が達成され、これと共に、適切な増幅回路と高品質のアナログデジタル変換器（Ａ／Ｄコンバータ）とを用いることによって、たとえば１６ビット以上の分解能の量子化（２０ビット、２４ビット）による十分にノイズフリーの高い測定分解能が可能になる。

さらに有利な一実施形態では、
・検出システムと絞り要素Ｂとの間、
・絞り要素Ｂと第２の光透過要素Ｆ２との間、
・放射源と第１の光透過要素Ｆ１との間、
・光反射要素と第１の光透過要素Ｆ１との間、
・検出システムと第２の光透過要素Ｆ２との間
の空間領域に、光屈折率ｎ≧１を有する光透過性材料、たとえばプラスチック、水晶、ゲルマニウムまたはシリコンを充填することによって、サイズおよび幾何学的構造上の構成を小型化することもできる。かかる小型化によって、表１にて挙げた距離ｌ_３、ｌ_Ｆ１、ｌ_Ｆ２、ｌ_ＤＢを、率としての使用材料の屈折率ｎだけ短縮化することができる。

さらに有利な一実施形態では上述のことにより、構造的に小型の構成体としての、呼吸ガス混合気中の少なくとも１つのガス成分の濃度特定のための装置の幾何学的構造上の形態のために、空間領域に充填される光透過性材料の光屈折率ｎを使用して、表１に挙げた長さｌ_３、ｌ_Ｆ１、ｌ_Ｆ２、ｌ_ＤＢを物理的な幾何学的長さ寸法としてではなく物理光学的な長さ寸法として用いることができる。このようにして、光透過性材料が空間充填に用いられる長さｌ_Ｆ１、ｌ_Ｆ２、ｌ_ＤＢの寸法が、光屈折率ｎの数値に相当する率だけ短縮する。その結果、検出システムと第２の光透過要素Ｆ２との間の距離Ｌ_Ｆ２を短縮できることにより、関係式ｌ_Ｆ２／ｌ_３≧０．５（表３のＡ）を考慮すると、放射源の放射面と２つの検出システムの２つの検出面との間の垂直方向の距離ｌ_３、ないしは光反射要素の反射面から２つの検出システムの２つの検出面までの垂直方向の距離ｌ_３を短縮することができる。

検出システムと絞り要素Ｂとの間の空間領域、絞り要素Ｂと第２の光透過要素Ｆ２との間の空間領域、放射源と第１の光透過要素Ｆ１との間の空間領域、光反射要素と第１の光透過要素Ｆ１との間の空間領域、または検出システムと第２の光透過要素Ｆ２との間の空間領域に充填することによって奏されるもう１つの利点としては、流路内からガスが、呼吸ガス混合気中の少なくとも１つのガス成分の濃度特定のための装置内の構成要素、光路または放射ならびに／もしくは反射された放射の領域に侵入することがないことである。光透過要素が流路に嵌め込まれて封止されている場合において、濃度特定のための装置の動作の進行中に漏れが生じても、上述の充填によって、これらの空間領域にガス量が侵入することが防止される。たとえば二酸化炭素がたとえば検出システムと第１の光透過要素Ｆ１との間の空間領域に侵入して比較的長時間残留すると、ＣＯ_２の測定がさらに進行する過程で、動作のさらなる進行中にその測定結果に誤差を生じさせる可能性が生じ得る。というのも、侵入したＣＯ_２の量が光路上においてさらに波長固有の減衰を引き起こさせ得るからである。かかる問題は、空間領域に光透過性材料を充填することによって軽減することができる。

測定チャネルと参照チャネルとが重なり合うことにより、有利には、たとえば測定ガス温度変化、不純物、水蒸気、水分、放射源または光反射要素の汚れ等の、測定チャネルと参照チャネルとの双方に対して同様に影響を及ぼす現象の、１呼吸ごとの分解能の取得された測定データが、後続の信号処理や測定データ補正の非常に面倒な処理、たとえば外部調達された水分データおよび／または温度データに基づく水分補償および／または温度補償等を行わずに、直接的に、かつ実際の物理的な測定の時点でリアルタイムに得ることができるようになる。

ここで記載されている各実施形態は、各自で、また相互間での組合せにおいても、呼吸ガス混合気中のガス成分の濃度特定のための装置の具体的な実施形態となる。本発明の実施形態の全ての可能な組合せがそれぞれ詳細に記載されていなくても、全ての実施形態、および複数の実施形態の組合せによって実現される他の可能な実施形態、およびその利点も同様に、本発明の思想に共に包含される。

以下、下記の図面と当該図面の説明とを参照して、本発明の一般的思想を限定することなく、本発明について詳細に説明する。

濃度特定のための装置の第１の概略図である。 濃度特定のための装置の他の第２の概略図である。 流路における濃度測定のための装置の配置を示す図である。 流路における濃度測定のための装置の別の配置を示す図である。 図１ａおよび図１ｂの濃度特定のための装置の重なり領域について示す図である。

図１ａは、呼吸ガス混合気中の少なくとも１つのガス成分の濃度特定のための装置１の第１の概略図である。図中の装置１は、放射素子３００を有する放射源３０を備えている。垂直方向の距離ｌ_３３３をおいて放射源３０に対向して、検出要素５０および検出要素６０が配置されている。検出要素５０，６０にはバンドパスフィルタ要素５１，６１が配置されている。バンドパスフィルタ要素５１，６１は有利には、放射源３０から放射された、予め決まった波長領域の放射３１を通過させるバンドパスフィルタ要素として構成されている。図１ａでは、垂直方向の参照軸３２と水平方向の参照軸３６とを有する座標系が示されており、各構成要素の相互間の位置の記述と、空間における位置と、については、この座標系を参照する。したがって、放射源３０からの放射３１は、水平方向の参照軸３６に対して平行である、水平方向の放射平面３７から出ていく。コントロールユニット９が設けられており、これは制御線路９３，９３’を用いて放射素子３００に接続されている。さらに、コントロールユニット９は制御線路９６，９６’を用いて検出要素６０に接続されている。また、コントロールユニット９は、制御線路９５，９５’を用いて検出要素５０にも接続されている。検出要素５０と、これに対して設けられているフィルタ要素５１と、は、１つの検出システム５２を構成する。検出要素６０と、これに対して設けられているフィルタ要素６１と、は、１つの検出システム６２を構成する。検出システム５２と６２とが合わさって１つの検出配置構成体４０を成し、これは、放射源３０およびコントロールユニット９と共に、ガス成分の濃度特定のための装置１を機能的に構成する。垂直軸３２および水平方向の参照軸３６を基準とする検出配置構成体４０の配置は、検出システム５２，６２間の距離によって定まる。検出システム５２は図１ａでは、水平方向の参照軸３６と水平方向の放射平面３７との双方に対して平行な配置で設けられている。検出配置構成体４０では、検出要素５０から中心軸３２まで水平方向の距離ｌ_１３４がある。検出配置構成体４０では、検出要素６０から中心軸３２まで距離ｌ_１３４’がある。検出配置構成体４０では、バンドパスフィルタ要素５１から中心軸３２まで距離ｌ_２３５がある。検出配置構成体４０ではさらに、フィルタ要素６１から中心軸３２まで距離ｌ_２３５’がある。検出システム５２，６２は中心軸３２に対して直角に配置されていることから、検出要素５０とフィルタ要素５１とについては、中心軸３２までの各距離ｌ_１３４およびｌ_２３５が等しい。

呼吸ガス混合気中の少なくとも１つのガス成分の濃度特定のための装置１の本概略図では、流路１００が示されており、この流路１００は、放射源３０と検出システム５２，６２との間に、水平方向の参照軸３６に対して平行に配置されている。流路１００の壁には、光透過性の第１の光透過要素Ｆ１（２１）と光透過性の第２の光透過要素Ｆ２（２２）とが相対向して配置されており、これらによって、放射源３０から流路１００を通過するように放射３１を行うことが可能になる。

図１ａでは、表２ａおよび表２ｂに列挙した、各構成要素の寸法または広がりおよび各構成要素相互間の距離が、長さの形態で示されている。

同図では、光透過要素Ｆ１（２１）と放射源３０との間の距離ｌ_Ｆ１２１０が示されている。

同図では、光透過要素Ｆ２（２２）と検出システム５２，６２との間の距離ｌ_Ｆ２２２０が示されている。

同図では、絞り要素Ｂ（２３）と検出システム５２，６２との間の距離ｌ_ＤＢ２４０が示されている。

同図では、放射源３０と検出システム５２，６２との間の垂直方向の距離ｌ_３３３が示されている。

同図では、放射源３０の水平方向の寸法ｌ_ｓ ３８８が示されている。

同図では、絞り部Ｂ（２３）の開口の水平方向の寸法ｌ_Ｂ ２３０が示されている。

同図では、検出システム５２，６２の各水平方向の寸法ｌ_Ｄ１，２６００が示されている。

図１ａに示された、呼吸ガス混合気中の少なくとも１つのガス成分の濃度特定のための装置１の構造的な構成は、表３の関係式Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを構造上の寸法決定の基礎として適用して、重なり領域６５（図４）による構造的に小型の構成体の構成を達成するようになされている。

第１の実施形態について表３に挙げた関係式Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを用いて上記にて示した幾何学的構造上の条件の適用に基づき、かつ検出配置構成体４０の両検出システム５２，６２間の距離ｌ_０３８（図４）と、垂直方向の中心軸３２までの各距離３４，３４’，３５，３５’と、放射源３０の水平方向の寸法ｌ_ｓ ３８８と、絞り部Ｂ（２３）の開口の水平方向の寸法ｌ_Ｂ２３０と、各検出システム５２，６２の各水平方向の寸法ｌ_Ｄ１，２６００と、に基づき、垂直方向の距離ｌ_３３３も使用して得られる、上述の構造的に小型の構成体の構成によって、放射源３０から放射される放射３１について、放射源３０と検出配置構成体４０との間の垂直方向の距離に沿って、当該放射源３０から放射される放射３１の重なり領域６５（図４）が得られる。

この重なり領域６５（図４）は、検出システム５２，６２の配置の平面から鉛直方向に、放射源３０の方向に得られる。このことから、たとえばガス分子または凝縮水（水蒸気または水滴等の水分）４００について、放射源３０の放射３１がこのガス分子４００を通過して、このときに検出要素５０および検出要素６０のいずれに対しても放射３１として働く状況が生じる。図１ａではガス分子または凝縮水４００は、一例として中心軸３２上において放射源３０の付近に示されている。このことによって、たとえば水分（凝縮水）４００が検出要素５０および検出要素６０の双方に対して同様に放射を減衰させることが保証される。このことから、検出要素５０の信号と検出要素６０の信号との比を形成することにより、水分および不純物の影響を消失させることができる。

図１ａについてのこの説明では、図４を参照されたい。同図では、放射３１の重なり領域６５（図４）についての上記条件Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを満たす装置１の構造における作用を、概略的かつ簡略的にグラフィック形式で示している。

コントロールユニット９は、適切な電子部品（増幅器、アナログデジタル変換器、マイクロコントローラ）を使用して検出要素５０，６０の信号を処理して出力信号９９を出力する。この出力信号９９は、検出要素５０，６０によって取得された信号と、これらの取得された信号の比と、を表すものであり、よって、当該両信号ないしは信号比から導出されるガス濃度を表すものでもある。

図１ｂは、呼吸ガス混合気中の少なくとも１つのガス成分の濃度特定のための装置１’の他の第２の概略図である。図１ａと図１ｂとにおいて同一の要素には、図１ｂにおいて、図１ａ中の対応する同種の要素と同一の符号を付している。

図１ｂは、図１ａを変更した態様を、他の第２の概略図で示すものである。図１ａとの相違点として、図１ｂでは放射源３０は、光学部品および検出器と同一の側に配置されている。図中の装置１’は、放射素子３００を有する放射源３０（図１ｂでは符号は省略している）を備えている。放射源３０に直接隣接して、検出要素５０および他の検出要素６０が配置されている。検出要素５０，６０にはバンドパスフィルタ要素５１，６１が配置されている。放射源３０に対向して、光反射要素として反射器３９、たとえばミラーまたは平面鏡が配置されている。反射器３９は、放射源３０から放射された放射３１に対してミラーとして作用し、反射される放射３１’をバンドパスフィルタ要素５１，６１および検出要素５０，６０に向けて反射させる。バンドパスフィルタ要素５１，６１は、予め決まった波長領域の光を通過させる。図１ｂでは、垂直方向の参照軸３２、水平方向の参照軸３６を有する座標系が示されている。これらの軸は、図１ａの説明と同様に、各構成要素の相互間の位置および空間内における各位置の参照として使用される。コントロールユニット９が設けられており、これは放射源３０の放射素子３００に接続されている。コントロールユニット９と検出要素６０，５０とを接続するために制御線路９３，９３’ないしは９６，９６’および９５，９５’を用いた本構成は、図１ａと対応する説明とに記載の構成に相当し、これらを参照されたい。検出要素５０と、これに対して設けられているフィルタ要素５１と、は、１つの検出システム５２を構成する。検出要素６０と、これに対して設けられているフィルタ要素６１と、は、同様に１つの検出システム６２を構成する。これらの検出システム５２，６２は、放射源３０と共に１つの検出配置構成体４１を成し、これは、コントロールユニット９および反射器３９と共に、ガス成分の濃度特定のための装置１’を機能的に構成する。軸３２，３６を基準とする検出配置構成体４１の配置は、検出システム５２，６２間の距離によって定まる。各検出システム５２，６２は、図１ｂでは、垂直方向の中心軸３２に対してそれぞれ直角に設けられている。検出配置構成体４１では、検出要素５０から中心軸３２まで水平方向の距離ｌ_１３４がある。検出配置構成体４１では、検出要素６０から中心軸３２まで距離ｌ_１３４’がある。検出配置構成体４１では、バンドパスフィルタ要素５１から中心軸３２まで距離ｌ_２３５がある。検出システム５２，６２は中心軸３２に対して直角に配置されていることから、検出要素５０とフィルタ要素５１とについては、中心軸３２までの距離ｌ_１３４’およびｌ_２３５’が等しい。検出配置構成体４１ではさらに、フィルタ要素６１から中心軸３２まで距離ｌ_２３５’がある。検出システム５２，６２は中心軸３２に対して直角に配置されていることから、検出要素５０とフィルタ要素５１とについては、中心軸３２までの距離ｌ_１３４およびｌ_２３５が等しい。

呼吸ガス混合気中の少なくとも１つのガス成分の濃度特定のための装置１’の本概略図では、流路１００’が示されており、この流路１００’は反射器３９と検出システム５２，６２との間に、水平方向の参照軸３６に対して平行に配置されている。流路１００’の壁には、光透過性の第１の光透過要素Ｆ１（２１）と光透過性の第２の光透過要素Ｆ２（２２）とが相対向して配置されており、これらによって、放射源３０と反射器３９とを用いて反射された放射３１’の放射３１が流路１００’を通過するように行うことが可能になる。

図１ｂでは、表２ａおよび表２ｂに列挙した、各構成要素の寸法または広がりおよび各構成要素相互間の距離が、長さの形態で示されている。

同図では、光透過要素Ｆ１（２１）と反射器３９との間の距離ｌ_Ｆ１２１０が示されている。

同図では、光透過要素Ｆ２（２２）と検出システム５２，６２との間の距離ｌ_Ｆ２２２０が示されている。

同図では、絞り要素Ｂ（２３）と検出システム５２，６２との間の距離ｌ_ＤＢ２４０が示されている。

同図では、反射器３９と検出システム５２，６２との間の垂直方向の距離ｌ_３３３’が示されている。

同図では、反射器３９の水平方向の寸法ｌ_Ｒ ３９０が示されている。

同図では、絞り部Ｂ（２３）の開口の水平方向の寸法ｌ_Ｂ ２３０が示されている。

同図では、検出システム５２，６２の各水平方向の寸法ｌ_Ｄ１，２６００が示されている。

図１ｂに示された、呼吸ガス混合気中の少なくとも１つのガス成分の濃度特定のための装置１’の構造的な構成は、表３の関係式Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ’，Ｅ’を構造上の寸法決定の基礎として適用して、重なり領域６５（図４）による構造的に小型の構成体の構成を達成するようになされている。

第２の実施形態について表３に挙げた関係式Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ’，Ｅ’を用いて上記にて示した幾何学的構造上の条件の適用に基づき、かつ検出配置構成体４１の両検出システム５２，６２間の距離ｌ_０３８（図４）と、垂直方向の中心軸３２までの各距離３４，３４’，３５，３５’と、反射器３９の水平方向の寸法ｌ_Ｒ ３９０と、絞り部Ｂ（２３）の開口の水平方向の寸法ｌ_Ｂ２３０と、各検出システム５２，６２の各水平方向の寸法ｌ_Ｄ１，２６００と、に基づき、垂直方向の距離ｌ_３３３’も使用して得られる、上述の構造的に小型の構成体の構成によって、反射器３９によって反射される放射３１’について、放射源３０と検出配置構成体４１との間の垂直方向の距離に沿って、当該反射器３９によって反射される放射３１’の重なり領域６５（図４）が得られる。この重なり領域６５（図４）は、検出システム５２，６２の配置の平面から鉛直方向に、放射源３０の方向に得られる。検出システム５２，６２は、水平方向の参照軸３６と、中心軸３２と、当該水平方向の参照軸３６に対して平行に配置された、反射器の光反射の水平方向の光反射平面３７’と、を基準として設けられている。検出システム５２および６２に基づいて得られる重なり領域６５（図４）によって、たとえば反射された放射３１内において反射器３９の付近に存在する不純物または凝縮水が、検出要素５０と検出要素６０との双方に同様に放射に影響を及ぼす、すなわち、場合によっては放射を減衰することとなる。このことから、図１ａにおいて説明したように、検出要素５０の信号と検出要素６０の信号との比から、水分４００（図１ａ）または不純物の影響を消失させることができる。

図１ｂについてのこの説明では、図４を参照されたい。同図では、反射される放射３１’の重なり領域６５（図４）についての上記条件Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ’，Ｅ’を満たす装置１’の構造における作用を、概略的かつ簡略的にグラフィック形式で示している。

図１ａとの相違点として図１ｂでは、反射器３９までの放射３１の経路と、検出要素５０，６０までの反射された放射３１’の経路と、について、光路が延長されており、最も簡単な事例では２倍になっている。このように光路が延長している結果、検出要素５０，６０に入射した光線が、図１ａより小さい強度となる。このことによって、図１ｂにおいてガス成分の濃度特定のための装置１’の感度に差異が生じる。コントロールユニット９における検出要素５０，６０の信号の処理は、適切な電子部品を用いて、図１ａにおいて説明したのと同様の態様で行われる。コントロールユニットは、検出要素５０，６０の信号または検出要素５０，６０の信号の比を表す出力信号９９を出力する。よって出力信号９９は、検出要素５０，６０の取得した信号に基づいて当該信号から導出されるガス濃度を後続処理へ、たとえば表示ユニット９４（図２）へ提供するものである。

図２および図３は、図１ａ、図１ｂの濃度特定のための装置の配置を示している。図２，図３については、互いに共通する構成に関しては同じ図面説明で、また相違点に関しても説明する。図２，図３において同一の要素には、図２，図３中の対応する同種の要素と同一の符号を付している。図２，図３と図１ａ，図１ｂとにおいて同一の要素には同一の符号を付しており、図２，図３と図１ａ，図１ｂとにおいて対応する同種の要素についても同様である。

図２には、ガス成分の濃度特定のための装置１’（図１ｂ）が示されている。流路１００’は、ガス量８０を有する流れを、装置１’（図１ｂ）による測定に供するために構成されている。検出システム５２，６２は、放射源３０、点放射源３０’として構成された放射素子３００と、コントロールユニット９と、に接続されているのが示されている。検出システム５２，６２は放射源３０およびコントロールユニット９と共に保持要素９７に配置されており、この保持要素９７は流路１００’に結合されている。流路１００’は第１の光透過要素Ｆ１（２１）を備えており、これは反射器３９と共に、流路１００’の壁のサブユニットを構成する。流路１００’は第２の光透過要素Ｆ２（２２）を備えており、これは絞り要素２３と共に、流路１００’の壁のサブユニットを構成する。光透過要素Ｆ１（２１），Ｆ２（２２）は、放射源３０，３０’から放射された光を通すように、また、反射器３９によって反射された光を通すように構成されている。光透過要素Ｆ１（２１），Ｆ２（２２）、反射器３９および絞り要素２３は、流路１００’の気密性を保証するため、シーリング部材９８を用いて流路１００’に配置されている。図２に示されている構成の動作については、図１ｂについて説明した通りである。

図３には、図２とは異なり、図１ａに示したガス成分の濃度特定のための装置１が示されている。放射源３０は、流路１００の、検出システム５２，６２に対向する側に配置されている。検出システム５２，６２は放射源３０およびコントロールユニット９と共に保持要素９７に配置されており、この保持要素９７は流路１００に結合されている。検出システム５２，６２と放射源３０とは、流路１００の、流れ断面がベンチュリ管の形状に縮小している場所に、相対向するように配置される。

流路１００は第１の光透過要素Ｆ１（２１）を備えており、これは流路１００の壁に配置されている。流路１００は第２の光透過要素Ｆ２（２２）を備えており、これは絞り要素２３と共に、流路１００の壁のサブユニットを構成する。光透過要素Ｆ１（２１），Ｆ２（２２）は、放射源３０から放射された光を通すように構成されている。光透過要素Ｆ１（２１），Ｆ２（２２）および絞り要素２３は、流路１００の気密性を保証するため、シーリング部材９８を用いて流路１００に配置されている。図３の本構成では、２つの側からコントロールユニット９の要素を設ける必要がある。このことによって、検出要素５０，６０を備えた検出システム５２，６２（図１ａ）を動作させて信号を増幅することが可能になる。コントロールユニット９はさらに、放射源３０の駆動制御と出力信号９９の出力のためにも使用される。

図２，図３では、上記にて図１ａおよび図１ｂで説明したように、取得されたガス濃度を表す出力信号９９が設けられている。

図２には、医療機器２００および表示ユニット９４がそれぞれオプションの構成要素として破線で示されている。これらのオプションの構成要素は、出力信号９９を後続の処理や使用に供することができる手段例である。

図３には上述のオプションの構成要素２００，９４は示されていないが、本発明の思想により、図３の構成にも同様に採用できるとみなすべきものである。

図４は、図１ａおよび図１ｂの濃度特定のための装置１，１’の重なり領域６５について示す図１０００である。図４と図１ａ，図１ｂ，図２，図３とにおいて同一の要素には、図４において、図１ａ，図１ｂ，図２，図３中の対応する同種の要素と同一の符号を付している。

同図では、図１ａの放射３１の重なり領域６５および図１ｂの反射される放射３１の重なり領域６５に関して、表３に記載された条件Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，ＥないしはＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ’，Ｅ’を考慮した場合の、装置１（図１ａ）のおよび装置１’（図１ｂ）の両構造における作用効果が示されている。ここでは、２つの検出システム５２，６２間に距離ｌ_０ ３８を有する当該２つの検出システム５２，６２が概略的な形式で示されている。検出システム５２，６２に対向して、図１ａでは放射源３０として構成された光放射要素、または図１ｂでは反射器３９として構成された光反射要素が設けられている。

図１ｂの実施形態に必要な放射源は、垂直軸３２上において点放射源３０’として２つの検出システム５２，６２間に、図１ｂと同等に位置決めされている。

ここで留意すべき点は、図４の上述の図示内容は、放射源３０，３０’と検出システム５２，６２とが隣り合って配置されている装置１’（図１ｂ）の放射源３０，３０’と反射器３９とを備えた配置であるのに対し、放射源３０と検出システム５２，６２とが相対向して配置されている装置１（図１ａ）の、放射源３０を備えた配置は、構成体において光反射要素を必要としないことである。

表３に記載された条件Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，ＥないしはＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ’，Ｅ’の構造上の関係（距離、寸法、広がり）に及ぼされる作用効果は、重なり領域６５に関しては同等であるから、これは図４では、図１０００にまとめて示されている。２つの検出システム５２，６２と光放射要素３０または光反射要素３９との間には流路１００，１００’が示されており、これは、当該流路１００，１００’の壁に配置された光透過性の第１の光透過要素Ｆ１（２１）および第２の光透過要素Ｆ２（２２）と、絞り要素２３と、を備えている。第１の光透過要素Ｆ１（２１）と第２の光透過要素Ｆ２（２２）と絞り要素２３と検出システム５２，６２と光放射要素３０または光反射要素３９との垂直方向の配置は、図４では条件Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，ＥないしはＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ’，Ｅ’を適用することによって得られる比率で図式化して示されている。よって、放射源３０から２つの検出システム５２，６２へ向かう放射３１について、または２つの検出システム５２，６２へ向かって反射される放射３１について流路１００，１００’に生じる重なり領域６５は、当該重なり領域６５の相対寸法に関して流路１００，１００’において転写可能である。流路１００，１００’における重なり領域６５の寸法が大きいほど、検出システム５２，６２の両検出要素５０，６０（図１ａ，図１ｂ）間の比を形成することによって水分および不純物の影響を効果的に消去することができる。

１，１’ ガス成分の濃度特定のための装置
９ コントロールユニット
２１ 第１の光透過要素、窓要素（Ｆ１）
２２ 第２の光透過要素、窓要素（Ｆ２）
２３ 絞り要素（Ｂ）
３０ 放射源
３０’ 点放射源として構成された放射源３０
３１ 放射
３１’ 反射された放射
３２ 垂直軸、中心軸、垂直方向の参照軸
３３ ｌ_３，ｌ_３’ 垂直方向の距離
３４ ｌ_１ 検出要素５０から中心軸３２までの距離
３４’ ｌ_１ 検出要素６０から中心軸３２までの距離
３５ ｌ_２ フィルタ要素５１から中心軸３２までの距離
３５’ ｌ_２ フィルタ要素６１から中心軸３２までの距離
３６ 水平方向の参照軸
３７ 水平方向の放射平面
３７’ 水平方向の光反射平面
３８ ｌ_０ 検出要素５０，６０間の距離
３９ 光反射要素、反射要素、反射器、ミラー要素
４０ 検出配置構成体
４１ 検出配置構成体、反射型
５０ 検出要素
５１ バンドパスフィルタ要素
５２ 検出システム
６０ 検出要素
６１ バンドパスフィルタ要素
６２ 検出システム
６５ 重なり領域
８０ ガス量、ガス濃度
９３，９３’ 放射素子３００への制御線路
９４ 表示ユニット
９５，９５’ データ伝送路、信号伝送路
９６，９６’ データ伝送路、信号伝送路
９７ 保持要素
９８ シーリング部材
９９ 出力信号
１００，１００’ 流路
２００ 医療機器、人工呼吸機器、麻酔機器
２１０ 光透過要素Ｆ１と放射源との間の距離ｌ_Ｆ１
２２０ 光透過要素Ｆ２と検出システムとの間の距離ｌ_Ｆ２
２３０ 絞り要素（Ｂ）の水平方向の寸法ｌ_Ｂ（幅、長さ、直径）
２４０ 絞り要素と検出システムとの間の距離ｌ_ＤＢ
３００ 放射要素（膜、コイル）
３８８ 放射源の水平方向の寸法ｌ_Ｓ（幅、長さ、直径）
３９０ 光反射要素、反射要素の水平方向の寸法ｌ_Ｒ（幅、長さ、直径）
４００ ガス分子、水分、凝縮水
６００ 両検出要素の水平方向の各寸法ｌ_Ｄ１，２（幅、長さ、直径）
６０１ 検出システムと絞り要素Ｂとの間の空間領域
６０２ 絞り要素と第２の光透過要素Ｆ２との間の空間領域
６０３ 検出システムと第２の光透過要素Ｆ２との間の空間領域
６０４ 第１の光透過要素Ｆ１と放射源との間の空間領域
６０４’ 第１の光透過要素Ｆ１と反射要素との間の空間領域
１０００ 重なり領域６５の図

Claims (12)

1. 生物の吸気ガスまたは呼気ガス中のガス成分の濃度特定のための装置（１）であって、
   λ１＝２．５μｍ〜λ２＝１４．０μｍの波長領域の光放射の放射（３１）に適した構成の放射源（３０）と、
   前記放射源（３０）によって生成された光放射（３１）を取得するために適した構成の２つの検出要素（５０，６０）を備えた２つの検出システム（５２，６２）であって、前記２つの検出要素（５０，６０）には、前記放射源（３０）によって生成された光放射（３１）を取得するための検出面を成す２つのバンドパスフィルタ要素（５１，６１）が配置されている検出システム（５２，６２）と、
   ガス流の導流を前記光放射（３１）の垂直軸（３２）に対して実質的に直角に行うように構成された流路（１００）と、
   双方ともλ１＝２．５μｍ〜λ２＝１４．０μｍの波長領域の光放射に対して光透過性に構成された、第１の光透過要素Ｆ１（２１）および第２の光透過要素Ｆ２（２２）と、
   前記放射源から前記２つの検出システム（５２，６２）の検出面へ光線導光を行うための絞り要素Ｂ（２３）と、
   前記放射源（３０）の動作の制御および前記２つの検出要素（５０，６０）の信号取得を行うためのコントロールユニット（９）と、
   を備えており、
   前記２つのバンドパスフィルタ要素（５１，６１）のうち１つは、測定ガスによって吸収される赤外線に対して光透過性に構成されており、前記２つのバンドパスフィルタ要素（５１，６１）のうち１つは、測定ガスによって吸収されない赤外線に対して光透過性に構成されており、
   前記放射源（３０）の放射面は、前記２つの検出システム（５２，６２）の２つの検出面から垂直方向の距離ｌ_３（３３）の場所に配置されており、
   前記第２の光透過要素Ｆ２（２２）について、距離ｌ_Ｆ２（２２０）が垂直方向の距離ｌ_３（３３）との関係において関係式ｌ_Ｆ２／ｌ_３≧０．５を満たすものとなり、かつ、前記第２の光透過要素Ｆ２（２２）について距離ｌ_Ｆ２（２２０）が、前記２つの検出システム（５２，６２）の検出面までの垂直方向の距離ｌ_３（３３）との関係と、距離ｌ_ＤＢ（２４０）との関係と、において関係式０≦ｌ_ＤＢ／ｌ_３≦ｌ_Ｆ２／ｌ_３を満たす比率となるように、前記第２の光透過要素Ｆ２（２２）は、前記ガス成分の濃度特定のための装置（１）に前記流路（１００）の壁の一部として配置されており、
   前記第１の光透過要素Ｆ１（２１）について、距離ｌ_Ｆ１（２１０）が前記垂直方向の距離ｌ_３（３３）との関係において関係式ｌ_Ｆ１／ｌ_３≦０．３を満たすものとなるように、前記第１の光透過要素Ｆ１（２１）は、前記ガス成分の濃度特定のための装置（１）に前記流路（１００）の壁の一部として配置されており、
   前記絞り要素Ｂ（２３）は、前記絞り要素Ｂ（２３）の水平方向の寸法について前記放射源（３０）の水平方向の寸法ｌ_ｓ（３８８）との関係において、関係式ｌ_Ｂ／ｌ_Ｓ≧０．５を満たす比率となるように、前記ガス成分の濃度特定のための装置（１）において前記流路（１００）の表面または外部に配置されており、
   前記絞り要素Ｂ（２３）は、前記絞り要素Ｂ（２３）の水平方向の寸法について、前記放射源（３０）の水平方向の寸法ｌ_ｓ（３８８）との関係と、前記検出システムの水平方向の寸法ｌ_Ｄ１，２（６００）との関係と、において、関係式ｌ_Ｂ／ｌ_Ｓ≧ｌ_Ｄ１，２／ｌ_Ｓを満たす比率となるように、前記ガス成分の濃度特定のための装置（１，１’）において前記流路（１００）の表面または外部に配置されていることにより、前記流路（１００）において、前記両検出システム（５２，６２）間に、前記放射源（３０）によって生成された光放射（３１）の重なり領域（６５）が生じる、
   装置（１）。
2. 生物の吸気ガスまたは呼気ガス中のガス成分の濃度特定のための装置（１，１’）であって、
   λ１＝２．５μｍ〜λ２＝１４．０μｍの波長領域の光放射の放射（３１）に適した構成の放射源（３０）と、
   前記放射源（３０）に対向して配置された、光反射に適した光反射要素（３９）と、
   前記光反射要素（３９）によって反射された放射（３１’）を取得するために適した構成の２つの検出要素（５０，６０）を備えた２つの検出システム（５２，６２）であって、前記２つの検出要素（５０，６０）には、前記光反射要素（３９）によって反射された放射（３１’）を取得するための検出面を成す２つのバンドパスフィルタ要素（５１，６１）が配置されている検出システム（５２，６２）と、
   ガス流の導流を前記光放射（３１）の垂直軸（３２）に対して実質的に直角に行うように構成された流路（１００’）と、
   双方ともλ１＝２．５μｍ〜λ２＝１４．０μｍの波長領域の光放射に対して光透過性に構成された、第１の光透過要素Ｆ１（２１）および第２の光透過要素Ｆ２（２２）と、
   前記放射源から前記２つの検出システム（５２，６２）の検出面へ光線導光を行うための絞り要素Ｂ（２３）と、
   前記放射源（３０）の動作の制御および前記２つの検出要素（５０，６０）の信号取得を行うためのコントロールユニット（９）と、
   を備えており、
   前記２つのバンドパスフィルタ要素（５１，６１）のうち１つは、測定ガスによって吸収される赤外線に対して光透過性に構成されており、前記２つのバンドパスフィルタ要素（５１，６１）のうち１つは、測定ガスによって吸収されない赤外線に対して光透過性に構成されており、
   前記光反射要素（３９）の反射面は、前記２つの検出システム（５２，６２）の２つの検出面から垂直方向の距離ｌ_３（３３’）の場所に配置されており、
   前記第２の光透過要素Ｆ２（２２）について、距離ｌ_Ｆ２（２２０）が前記垂直方向の距離ｌ_３（３３’）との関係において関係式ｌ_Ｆ２／ｌ_３≧０．５を満たすものとなり、かつ、前記第２の光透過要素Ｆ２（２２）について距離ｌ_Ｆ２（２２０）が、前記２つの検出システム（５２，６２）の検出面までの垂直方向の距離ｌ_３（３３’）との関係と、距離ｌ_ＤＢ（２４０）との関係と、において関係式０≦ｌ_ＤＢ≦ｌ_Ｆ２／ｌ_３を満たす比率となるように、前記第２の光透過要素Ｆ２（２２）は、前記ガス成分の濃度特定のための装置（１）に前記流路（１００’）の壁の一部として配置されており、
   前記第１の光透過要素Ｆ１（２１）について、距離ｌ_Ｆ１（２１０）が前記垂直方向の距離ｌ_３（３３’）との関係において関係式ｌ_Ｆ１／ｌ_３≦０．３を満たすものとなるように、前記第１の光透過要素Ｆ１（２１）は、前記ガス成分の濃度特定のための装置（１）に前記流路（１００’）の壁の一部として配置されており、
   前記絞り要素Ｂ（２３）は、前記絞り要素Ｂ（２３）の水平方向の寸法について前記光反射要素（３９）の水平方向の寸法ｌ_ｓ（３９０）との関係において、関係式ｌ_Ｂ／ｌ_Ｒ≧０．５を満たす比率となるように、前記ガス成分の濃度特定のための装置（１）において前記流路（１００’）の表面または外部に配置されており、
   前記絞り要素Ｂ（２３）は、前記絞り要素Ｂ（２３）の水平方向の寸法について、前記光反射要素（３９）の水平方向の寸法ｌ_Ｒ（３９０）との関係と、前記検出システムの水平方向の寸法ｌ_Ｄ１，２（６００）との関係と、において、関係式ｌ_Ｂ／ｌ_Ｒ≧ｌ_Ｄ１，２／ｌ_Ｒを満たす比率となるように、前記ガス成分の濃度特定のための装置（１，１’）において前記流路（１００’）の表面または外部に配置されていることにより、前記流路（１００’）において、前記両検出システム（５２，６２）間に、前記放射源（３０）によって生成された光放射（３１）の重なり領域（６５）が生じる、
   装置（１，１’）。
3. 前記放射源（３０）は、面放射源として、膜放射源として、または実質的に平坦に構成された放射面を備えた放射素子（３００）として、または実質的に平坦に構成された放射面を備えた発光ダイオード（ＬＥＤ）として構成されており、
   前記放射面は、前記放射面全体にわたって均質に放射（３１）するように構成されており、
   前記放射源（３０）の放射面は、２．０ｍｍ^２〜１０．０ｍｍ^２の範囲内で選択されている、
   請求項１記載の装置（１）。
4. 前記放射源（３０）は、点放射源として、または実質的に８０°〜１７０°の水平方向放射角で前記光反射要素（３９）の方向に点状に放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）として、前記光反射要素（３９）の方向に向けられ、かつ前記光反射要素の方向に均質に放射（３１）するように構成されており、
   前記放射源（３０）の放射面は、０．０５ｍｍ^２〜１ｍｍ^２の範囲内で選択されている、
   請求項２記載の装置（１’）。
5. 前記光反射要素（３９）には、反射される光（３１’）を前記両検出システム（５２，６２）に、有利には均質に分布させるように構成された表面テクスチャが施されている、
   請求項２記載の装置（１’）。
6. 前記２つの検出要素（５０，６０）は、前記垂直軸（３２）から０．１ｍｍ〜１０．０ｍｍの範囲内の第１の距離ｌ_１（３４，３４’）をおいて配置されており、
   前記２つの検出要素（５０，６０）に配置された前記２つのバンドパスフィルタ要素（５１，６１）は、前記２つの検出システム（５２，６２）間に延在する前記垂直軸（３２）から、０．１ｍｍ〜１０．０ｍｍの範囲内の第２の距離ｌ_２（３５）をおいて配置されている、
   請求項１または２記載の装置（１，１’）。
7. 前記バンドパスフィルタ要素（５１，６１，７１，８１）は、２．５μｍ〜１４μｍの波長領域の透過領域の赤外光の光学フィルタリングを行うように構成されている、
   請求項１から６までのいずれか１項記載の装置（１，１’）。
8. 前記検出要素（５０，６０）は、焦電検出器、ボロメータ、半導体検出器、サーモパイルまたはサーモカップルとして構成されている、
   請求項１から７までのいずれか１項記載の装置（１，１’）。
9. 前記検出システム（５２，６２）と前記絞り要素Ｂ（２３）との間の空間領域（６０１）、および／または、前記絞り要素Ｂ（２３）と前記第２の光透過要素Ｆ２（２２）との間の空間領域（６０２）、および／または、前記放射源（３０）と前記第１の光透過要素Ｆ１（２１）との間の空間領域（６０４）、および／または、前記検出システム（５２，６２）と前記第２の光透過要素Ｆ２（２２）との間の空間領域（６０３）に、光屈折率ｎ≧１を有する光透過性材料が充填されている、
   請求項１記載の装置（１）。
10. 前記検出システム（５２，６２）と前記絞り要素Ｂ（２３）との間の空間領域（６０１）、および／または、前記絞り要素Ｂ（２３）と前記第２の光透過要素Ｆ２（２２）との間の空間領域（６０２）、および／または、前記光反射要素（３９）と前記第１の光透過要素Ｆ１（２１）との間の空間領域（６０４’）、および／または、前記検出システム（５２，６２）と前記第２の光透過要素Ｆ２（２２）との間の空間領域（６０３）に、光屈折率ｎ≧１を有する光透過性材料が充填されている、
    請求項２記載の装置（１，１’）。
11. 前記関係式中の長さ寸法ｌ_Ｆ１（２１０）、ｌ_Ｆ２（２２０）、ｌ_ＤＢ（２４０）は、前記絞り要素Ｂ（２３）と前記第２の光透過要素Ｆ２（２２）との間の前記光透過性材料、および／または、前記検出システム（５２，６２）と前記絞り要素Ｂ（２３）との間の前記光透過性材料、および／または、前記放射源（３０）と前記第１の光透過要素Ｆ１（２１）との間の前記光透過性材料、および／または、前記検出システム（５２，６２）と前記第２の光透過要素Ｆ２（２２）との間の前記光透過性材料の光屈折率を使用して、物理的な幾何学的長さ寸法として、または物理光学的な長さ寸法として定義されている、
    請求項９記載の装置（１）。
12. 前記関係式中の長さ寸法ｌ _Ｆ１ （２１０）、ｌ _Ｆ２ （２２０）、ｌ _ＤＢ （２４０）は、前記絞り要素Ｂ（２３）と前記第２の光透過要素Ｆ２（２２）との間の前記光透過性材料、および／または、前記検出システム（５２，６２）と前記絞り要素Ｂ（２３）との間の前記光透過性材料、および／または、前記光反射要素（３９）と前記第１の光透過要素Ｆ１（２１）との間の前記光透過性材料、および／または、前記検出システム（５２，６２）と前記第２の光透過要素Ｆ２（２２）との間の前記光透過性材料の光屈折率を使用して、物理的な幾何学的長さ寸法として、または物理光学的な長さ寸法として定義されている、
    請求項１０記載の装置（１，１’）。

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